研究成果

Bi2Te3/Nb薄膜中之拓樸表面超導與Josephson 耦合效應

具備超導拓樸表面態的 Josephson元件被視為下世代超導量子位元的重要元件之一，有望提升量子運算所需的相干時間。然而，在多數實驗中，Josephson 耦合常被塊材載子(bulk carriers)所造成的近接效應所掩蓋，使其難以被直接觀測。在本研究中，我們利用分子束磊晶技術成長於超導 Nb 基板上的拓樸絕緣體 Bi₂Te₃ 薄膜，實現了一個乾淨的 Josephson結構。Nb 中的超導庫柏電子對可穿隧過近乎絕緣的 Bi₂Te₃ ，並透過 Josephson 耦合在其拓樸表面態中誘發超導性。我們利用自製低溫掃描穿隧顯微鏡（STM），於T = 0.3 K下直接觀察到 Bi₂Te₃拓樸表面態中的超導能隙。值得注意的是，隨著 Bi₂Te₃ 薄膜厚度增加，儘管超導配對密度因穿隧機率降低而呈指數下降，但是所誘發的能隙大小（約為 Nb 的 1/10）幾乎保持不變。這些實驗結果可由庫柏對經由Josephson 穿隧效應通過近乎絕緣的 Bi₂Te₃解釋，並在Bi₂Te₃表面形成單純之拓樸超導層。我們的結果突顯在拓樸元件中 Josephson 耦合對於狄拉克費米子長距離配對所扮演之關鍵角色。
本研究由中央研究院物理研究所莊天明副研究員團隊與美國伊利諾大學江台章教授團隊合作完成。物理所的研究工作由國家科學及技術委員會與中央研究院支持。相關成果已發表於《Nano Letters》25, 16387 (2025)。

期刊連結: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04230